放大電路的頻率響應(yīng)

放大電路的頻率響應(yīng)第1頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月知識(shí)目標(biāo)1、掌握頻率響應(yīng)的基本概念2、了解頻率失真的含義3、了解三極管頻率參數(shù)的含義能力目標(biāo)1、掌握單管共射放大電路中fL、fH的估算方法2、理解波特圖的意義和畫法3、掌握多級(jí)放大電路波特圖的分析教學(xué)目標(biāo)第2頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)重點(diǎn)利用混合π等效電路定量分析單管共射放大電路的頻率特性多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)教學(xué)難點(diǎn)第3頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性1、由于放大電路中存在電抗性元件2、晶體管極間電容所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。f第4頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力耦合電容造成三極管結(jié)電容造成fL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：放大倍數(shù)隨頻率變化曲線——幅頻特性曲線ffbw=fH–fL第5頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月

在低頻段：耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失，放大能力下降。高通電路低通電路在高頻段：晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失，放大能力下降。下限頻率上限頻率結(jié)電容第6頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(yīng)的概念頻率響應(yīng)幅度頻率響應(yīng)相位頻率響應(yīng)放大電路幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)統(tǒng)稱放大電路的頻率響應(yīng)。的幅值與頻率的函數(shù)關(guān)系－－幅頻特性的相位與頻率的函數(shù)關(guān)系－－相頻特性第7頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率失真（線性失真）--由于放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)不同而產(chǎn)生的波形失真1、幅度失真：放大電路對(duì)不同頻率的信號(hào)增益不同，產(chǎn)生的失真。第8頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月２、相位失真：放大電路對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生不同的相移所造成的輸出波形失真。第9頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月該圖稱為波特圖縱軸：dB橫軸：對(duì)數(shù)坐標(biāo)放大電路的對(duì)數(shù)頻率特性

將頻率特性的頻率坐標(biāo)改用對(duì)數(shù)分度電壓放大倍數(shù)用分貝(dB)為單位表示優(yōu)點(diǎn):1、壓縮坐標(biāo),擴(kuò)大視野2、將放大倍數(shù)相乘化為相加第10頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

高通電路：信號(hào)頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。+_+_CR圖5.1.1（a)RC高通電路令：5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念fL稱為下限截止頻率耦合電容負(fù)載第11頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(yīng)f=fL第13頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月高通回路波特圖

40

20

6

3

0

-3-20-4010010210.7070.10.011、對(duì)數(shù)幅頻特性：橫軸刻度：lgf縱軸刻度：單位是分貝（dB）用對(duì)數(shù)坐標(biāo)畫放大電路的頻率特性。可以表示很寬的數(shù)據(jù)范圍。第14頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月0.1fLfL

10fLf0-20-403dB20dB/十倍頻實(shí)際幅頻特性曲線第15頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月0.1fLfL

10fLf0-20-403dB20dB/十倍頻近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。折線以截止頻率fL做拐點(diǎn)，兩段直線近似曲線。當(dāng)f≥

fL(高頻)，當(dāng)f<fL(低頻)，高通特性：且頻率愈低，的值愈小，低頻信號(hào)不能通過。第16頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2、對(duì)數(shù)相頻特性：橫軸刻度：lgf縱軸刻度：

5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o

0f誤差5.71o在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。近似分析中：以截止頻率（0.1fL、10fL）做拐點(diǎn)，直線近似曲線。第17頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月RC高通電路波特圖第18頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)1.高通電路:信號(hào)頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。第19頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月什么電容還會(huì)產(chǎn)生高通電路？多個(gè)電容會(huì)有什么影響？討論：第20頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二、RC低通電路：信號(hào)頻率越低，輸出電壓越接近輸入電壓。圖5.1.2RC低通電路圖+_+_CR令：則：fH稱為上限截止頻率輸入電阻極間電容第21頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)數(shù)幅頻特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻波特圖近似分析中，折線以截止頻率fH做拐點(diǎn)，兩段直線近似曲線。第22頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對(duì)數(shù)相頻特性：fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH

0f在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。波特圖近似分析：以截止頻率（0.1fH，10fH）做拐點(diǎn)，直線近似曲線。第23頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)：2.低通電路:信號(hào)頻率越低，輸出電壓越接近輸入電壓。

使輸出電壓幅值下降到70.7%，相位為±45o的信號(hào)頻率為截止頻率。1.高通電路:信號(hào)頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。第24頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月高通電路與低通電路的波特圖畫電路波特圖的關(guān)鍵求出電路的上、下限截止頻率fH與fL。第25頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號(hào)頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。第26頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月例、RC低通電路的R=1K

，C=100pF；高通電路的

R=10K

，C=1

F，試畫出各自的波特圖。解：先畫低通電路的波特圖⑴計(jì)算時(shí)間常數(shù)，

=RC=110310010-12=10-7S

?H=1/2=1/23.1410-71.6106Hz⑵在幅頻特性的橫坐標(biāo)上定出?=?H1.6106Hz的點(diǎn)，由此點(diǎn)作斜率為-20dB/十倍頻的直線(f>fH)和與橫軸平行的直線(f<fH)即為幅頻特性。第27頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶在相頻特性的橫坐標(biāo)上定出0.1?H、?H、10?H三個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于=0o、-45o、-90o，連接此三點(diǎn)(0.1?H<?

<10?H)和=0o(?

<0.1?H)、=-90o(?

>10?H)的三條直線即為相頻特性。第28頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于高通電路同理可得：

=RC=10103110-6=10-2S

?L=1/2=1/23.1410-216Hz

由此可定出波特圖中有關(guān)的各點(diǎn)。第29頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖可從手冊中查出rbb’：基區(qū)體電阻rb’e’：發(fā)射結(jié)電阻Cπ：發(fā)射結(jié)電容re：發(fā)射區(qū)體電阻rb’c’：集電結(jié)電阻Cμ：集電結(jié)電容rc：集電區(qū)體電阻結(jié)構(gòu)：由體電阻、結(jié)電阻、結(jié)電容組成。第30頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月1.模型的建立：由結(jié)構(gòu)而建立，形狀像Π，參數(shù)量綱各不相同。

gm為跨導(dǎo)，它不隨信號(hào)頻率的變化而變。阻值小阻值大連接了輸入回路和輸出回路第31頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月由于晶體管兩個(gè)結(jié)電容的存在，使得輸入電流ib、輸出電流ic的大小和相角均與頻率有關(guān)。第32頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2、混合π模型的單向化（使信號(hào)單向傳遞）等效變換后電流不變第33頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(b)單向化后的混合

模型圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(C)忽略C／／μ的混合

模型因?yàn)镃π＞＞，且一般情況下。的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R／Ｌ，中的電流可忽略不計(jì)，得簡化模型圖（C）。第34頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月混合π模型與H參數(shù)模型關(guān)系β0為低頻電流放大系數(shù)又從手冊中查出低頻時(shí)二者等效：簡化的h參數(shù)模型簡化的混合π模型簡化的混合π模型第35頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)當(dāng)信號(hào)頻率發(fā)生變化時(shí)，電流放大系數(shù)β不是常量，而是頻率的函數(shù)。

電流放大系數(shù)的定義：簡化的混合π模型第36頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么短路？第37頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月共射截止頻率第38頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)數(shù)幅頻特性fTfOf

20lg

0-20dB/十倍頻f0

對(duì)數(shù)相頻特性10f

0.1f

-45o-90o第39頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月1.共射截止頻率f

值下降到0.707

0

(即)時(shí)的頻率。當(dāng)f=f

時(shí)，值下降到中頻時(shí)的70%左右?；?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個(gè)頻率的分析第40頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2.特征頻率fT值降為1時(shí)的頻率。f>fT時(shí)，，三極管失去放大作用；

f

=

fT時(shí)，由式得：第41頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月3.共基截止頻率f

值下降為低頻

0時(shí)

的0.707時(shí)的頻率。第42頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+

0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。第43頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型場效應(yīng)管各極之間存在極間電容，其高頻等效模型如下圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型（a)一般情況下

rgs和

rds比外接電阻大得多，可認(rèn)為是開路

Cgd可進(jìn)行等效變化，使電路單向化第44頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月

Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容為由于輸出回路的時(shí)間常數(shù)比輸入回路的小得多，故分析頻率特性時(shí)可忽略的影響。圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型(b)簡化模型第45頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月討論二

電路如圖。已知各電阻阻值；靜態(tài)工作點(diǎn)合適，集電極電流ICQ＝2mA；晶體管的rbb’=200Ω，Cob=5pF，fβ=1MHz。試求解該電路中晶體管高頻等效模型中的各個(gè)參數(shù)。第46頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管簡化的高頻等效電路＝？第47頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月清華大學(xué)華成英hchya@討論二第48頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.4

放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1、單管共射放大電路的頻率響應(yīng)5.4.2、多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)第49頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.1、單管共射放大電路的頻率響應(yīng)適用于信號(hào)頻率從0～∞的交流等效電路簡化的混合π模型極間電容耦合電容第50頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月低頻段：考慮C的影響，開路。極間電容（小電容、幾十~幾百PF）耦合電容（大電容、幾十微法）低頻段：相當(dāng)于高通電路，存在下限截止頻率fL。第51頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻段：考慮的影響，C短路。高頻段：相當(dāng)于低通電路，存在上限截止頻率fH。極間電容（小電容、幾十~幾百PF）第52頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月中頻段：C短路，開路。第53頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月單管共射的頻率響應(yīng)第54頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)C1RcRb+VCCC2RL+

+++~Rs

+

1、分別畫出單管共射放大電路的中頻、低頻和高頻的混合π等效模型。2、分別分析單管共射放大電路在中頻、低頻和高頻的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系第55頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月C1RcRb+VCCC2RL+

+++~Rs

+

一、中頻段C1和C2可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。直流電壓VCC交流接地。1.中頻段等效電路第56頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：中頻時(shí)單管共射放大電路的電壓放大倍數(shù)與頻率無關(guān)。1.中頻段電壓放大倍數(shù)第57頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二、低頻段考慮隔直電容的作用C與輸出電阻構(gòu)成一個(gè)RC高通電路1.低頻段等效電路第58頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2.低頻電壓放大倍數(shù)下限截止頻率：電壓放大倍數(shù)：第59頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月三、高頻段考慮并聯(lián)在極間電容的影響C與R構(gòu)成一個(gè)RC低通電路。1.高頻段等效電路R第60頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2.

高頻電壓放大倍數(shù)上限截止頻率：電壓放大倍數(shù)：第61頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合電容造成三極管結(jié)電容造成fL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：放大倍數(shù)隨頻率變化曲線——幅頻特性曲線ffbw=fH–fL阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)第62頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二級(jí)共射放大電路的頻率響應(yīng)如何？多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)？討論：第63頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月一.中頻電壓放大倍數(shù)帶負(fù)載時(shí)：空載時(shí)：電壓放大倍數(shù)與頻率無關(guān),相位為-180o第64頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二.低頻電壓放大倍數(shù):定性分析（相當(dāng)于高通電路）第65頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二.低頻電壓放大倍數(shù)：定量分析C所在回路的時(shí)間常數(shù)？高通電路第66頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月二.低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析中頻段20dB/十倍頻第68頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月三.高頻電壓放大倍數(shù)：定性分析(低通電路）+-C’

ecRcRLR+-b’+-利用戴維南定理求得：+-第69頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月戴維南定理第70頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月+-C’

ecRcRLR+-b’+-輸入端相當(dāng)于低通電路。第71頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月3.高頻電壓放大倍數(shù)：定量分析+-C’

ecRcRLR+-b’+-低通電路第72頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月+-C’

ecRcRLR+-b’+-第73頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月三.高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應(yīng)分析第74頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算、fL和fH；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對(duì)數(shù)幅值=20lg低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。第75頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO

第76頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月-135°-180°-90°f

-225°-270°ffH1fL104030201001021031041051063.2263×103三、單級(jí)共射放大電路的對(duì)數(shù)幅頻特性第77頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源放大電路及其等效電路在中頻段開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為第78頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月在高頻段，C短路，考慮的影響，上限頻率為：在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：電壓放大倍數(shù)第79頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月歸納：單管共射放大電路的頻率響應(yīng)的分析2、將等效電路中電容短路、開路，計(jì)算中頻電壓放大倍數(shù)；1、畫出信號(hào)頻率從零到無窮大的交流等效電路；3、將等效電路中極間電容開路，計(jì)算下限截止頻率；4、將等效電路中耦合電容短路，計(jì)算上限截止頻率；5、寫出全頻段電壓放大倍數(shù)表達(dá)式；6、畫出波特圖。第80頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月［例]在圖示電路中,已知VCC=15V,Rs=1k

,Rb=20k

,Rc=RL=5k

,C=5F；晶體管的UBEQ=0.7V,rbb’=100

,

=100,f

=0.5MHz,Cob=5F試估算電路的截止頻率f

H和f

L，并畫出的波特圖。解：（1）求解Q點(diǎn)可見，放大電路的Q點(diǎn)合適。RbRc+VCCuIT+-+-uoRLCRsus+-第81頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）求解混合

模型中的參數(shù)，畫適用于信號(hào)頻率從零到無窮大的交流等效電路。rbb'+-+-+-C’

becb’RbRcRLCRs+-第82頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）求解中頻電壓放大倍數(shù)rbb'+-+-+-C’

becb’RbRcRLCRs+-第83頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）求解f

H和f

L因?yàn)镽s<<Rb，所以rbb'+-+-+-C’

becb’RbRcRLCRs+-第84頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）畫出的波特圖-135°-180°-90°f

-225°-270°ffH1fL104030201001021031041051063.2263×103第85頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積采用直接耦合方式，使得f

L=0。fbw＝fH－fL≈fH矛盾當(dāng)提高增益時(shí)，帶寬將變窄；反之，增益降低，帶寬將變寬。第86頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月單管共射放大電路的增益帶寬積第87頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管選定則增益帶寬積確定。增益

帶寬

帶寬

增益

第88頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：如要得到一個(gè)通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cb

c

均小的高頻三極管。第89頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級(jí)放大電路頻率特性的定性分析多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)：對(duì)數(shù)幅頻特性為：在多級(jí)放大電路中含有多個(gè)放大管，因而在高頻等效電路中有多個(gè)低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個(gè)耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個(gè)高通電路。第90頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月